长四丙的“大杀器”！可二次启动的常温液体发动机YF-40A

北京时间2023年8月3日11:47，搭载“风云三号”F星的“长征四号丙”遥四十四运载火箭于酒泉发射场点火发射，约1333秒后星箭分离，卫星进入高度830千米的太阳同步轨道（SSO）。

执行本次任务的“长四丙”火箭为“长四”系列的最新改进型，其基于“长四乙”改进提升而来，关键改进在于末级使用了2台YF-40A作为主发动机。该发动机采用四氧化二氮/偏二甲肼双组元推进剂，推力约10吨（100.848千牛），比冲约303秒，混合比（氧化剂和燃烧剂的流量比）2.1399，具备二次启动能力，这使得“长四丙”运力相较于“长四乙”实现大幅提升。

“长四丙”火箭长48米，一、二级直径为3.35米，三级直径为2.9米，起飞质量250吨，起飞推力约302吨，其700千米SSO运载能力可达2.944吨，运载系数1.2%。作为前型，“长四乙”的700千米SSO运载能力为2.295吨，“长四丙”则将这一运力提升了0.649吨，提升率达到28%，且随着轨道高度增加，运力提升幅度逐渐上升。

要研制具备二次启动能力的常温液体发动机，需要解决一系列的难题。在发动机层面，需要解决发动机热泵起动、管路推进剂冻结等问题。在贮箱层面，需要解决浅箱推进剂管理的问题。以后者为例，在微重力环境下，各种干扰因素使贮箱内推进剂不能保持沉底，会产生一系列需要解决的问题。液体火箭发动机的正常起动需要进入管路的推进剂不夹气；需要有效抑制滑行段推进剂晃动程度，以减小对箭体姿态的干扰；确保发动机二次启动工作期间贮箱的正常增压，需要防止推进剂飞溅进入贮箱内顶部的增压溢出管。因此，就需要对三级贮箱进行推进剂管理。

由于“长四丙”三级主发动机YF-40A二次工作时间只有30秒左右，需要的推进剂很少，液面高度不到0.6米，使得三级共底贮箱具有浅箱、液少的特点，这增加了推进剂的管理使用难度。经过原理性试验、贮箱内推进剂运动特性分析和多种推进剂管理方案的比较，研制团队在国际上率先建立了浅箱推进剂管理系统，为YF-40A二次启动提供了供液保障。

以“长四丙”遥四十四/“风云三号”F星任务为例，火箭点火起飞618秒三级一次关机，三级和卫星组合体继续滑行600秒，此时微重力、高低温交变环境是对以YF-40A发动机为代表的动力系统的真正考验，应对之策体现的是一个国家的航天技术水平。点火起飞1218秒三级二次开机，1253秒三级二次关机，YF-40A就此完成使命。

“长四丙”火箭于2006年4月27日在太原发射场成功首飞，标志着“长四”系列运力迎来再升级，是我国运载效率最高的常温液体运载火箭。截止“长四丙”遥四十四发射，该火箭已经执行了50次发射，成功执行了“嫦娥四号”月球中继卫星“鹊桥号”等多次重大发射任务，而具备二次启动的常温液体发动机YF-40A功不可没，这是“长四丙”能成为“高手”的“大杀器”。

作者：大白高国